一种用于打捞沉船的托底钢梁穿引设备及方法与流程

本发明涉及沉船打捞技术领域，具体地涉及一种用于打捞沉船的托底钢梁穿引设备。本发明还涉及一种用于打捞沉船的托底钢梁穿引方法。

背景技术：

海底穿千斤是沉船整体打捞过程中关键的一环，通常占据整个打捞工程水下作业时间的50％以上。随着深度的增加，水下作业风险更大、水下作业时间更长，从而极大的增加了打捞难度和施工成本。

沉船打捞的主要环节是沉船底部穿引钢索或托底钢梁。其中，钢索穿引由于只需钻凿较小孔径，其施工难度较钢梁穿引小。目前主要穿引方式有直接机械挤压法、高压水冲刷法和水下定向钻法，这些穿引方式主要适用于软弱覆土的海底地质。其中，直接机械挤压法和高压水冲刷法需要潜水员水下手持工具作业，其人工水下作业量大、时间长、其效率低、风险大。

水下定向钻法虽然能够实现海面操作，但是钢梁结构尺寸大、自重大、形状多为方形，从而使定向钻技术难以在深海开凿大口径贯穿孔。目前主要采用直接拖拽法或高压水冲刷辅助拖拽，直接拖拽法即在钢梁头端系上拉伸绳索，然后从托梁出口方向直接拖拽，为降低拖拉力，可将托梁端头设计成锥形、流线型等，并加装切削刀具。高压水冲刷辅助拖拽是在托梁前端头设置高压水喷头，采用高压水冲刷前方覆土。然而，大吨位沉船自重较大，往往压实其沉没区域的海床，导致沉船底部的支撑区域土质条件较为致密。现有的采用钢梁直接顶推或采用高压水辅助冲刷的方式均难以高效完成孔洞开挖，尤其是遭遇局部硬质地质情况(如岩石地层)时无法完成穿引，且钢梁无法精确纠偏。这些仍然只适用于海底软弱覆土底质、穿引距离不长的情况，且难以在致密及坚硬地质下穿引。此外，在大吨位沉船整体性打捞过程中(如大型货船、油轮等)，匹配的托底钢梁往往尺寸更大，钢梁在水下自重更大，其移动以及姿态调整更加困难。

技术实现要素：

针对至少一些如上所述的技术问题，本发明旨在提出一种用于打捞沉船的托底钢梁穿引设备。该托底钢梁穿引设备中的掘进机的推进和托底钢梁穿引同步实施、一次成型。托底钢梁穿引水下作业部分的开孔、推进、导向等均采用机械化远程操作，从而使潜水作业量、水下工作强度大幅度减少，极大地提高了施工效率、提高了施工的安全性能，降低了施工成本。此外，通过掘进机开挖托底钢梁穿引洞室，其开挖洞径大，且开挖推进的方向实时可控。同时，掘进机还能够通过主机上设置的刀具破碎开挖致密或坚硬地质，扩大了地质适应范围，有效提高了托底钢梁穿引设备的适用性。

为此，根据本发明的第一方面，提出了一种用于打捞沉船的托底钢梁穿引设备，所述托底钢梁穿引设备包括：工作船，在所述工作船上设有吊机；掘进机，所述掘进机通过所述吊机下放到水底以进行掘进施工，所述掘进机包括：用于开挖渣土进行掘进的主机；连接在所述主机后端的托底钢梁；为所述主机提供前进推力的基座，所述基座上设有分别用于夹紧和推进托底钢梁的夹紧装置和推进系统；连接在所述托底钢梁后端的出渣循环系统；设置在所述工作船上用于控制所述掘进机运行的控制系统；其中，所述主机与所述托底钢梁通过铰接方式形成连接，通过所述控制系统能够远程控制所述主机，使所述主机在所述夹紧装置和所述推进系统的作用下进行开挖掘进并带动所述托底钢梁前行，从而进行托底钢梁穿引。

在一个优选的实施例中，所述主机通过铰接体与所述托底钢梁连接，所述铰接体的一端通过铰接系统与所述主机形成铰接，另一端通过对接法兰与所述托底钢梁的端面设有的端面法兰连接。

在一个优选的实施例中，所述铰接系统包括若干沿所述铰接体的周向均匀分布且轴向布置的第一油缸，各所述第一油缸能够以不同的伸出量伸出，从而能够控制所述主机与所述铰接体的相对偏转角度。

在一个优选的实施例中，在所述对接法兰的内部设有对接机构(30111)，所述对接机构包括若干沿所述对接法兰的周向均匀分布且轴向布置的第二油缸，所述第二油缸能够伸出以推动所述端面法兰，从而使所述托底钢梁与所述主机脱离。

在一个优选的实施例中，所述主机包括构造为筒状的壳体，在所述壳体内设有彼此间隔开的第一隔板和第二隔板，从而在所述壳体与所述第一隔板和第二隔板之间形成封闭空间。

在一个优选的实施例中，在所述壳体的前端设有构造为盘形的刀盘，所述刀盘能够安装不同型号的刀具。

在一个优选的实施例中，在所述封闭空间内设有为所述刀盘提供动力的刀盘驱动系统，和用于实时监测所述主机的姿态监控与导向系统。

在一个优选的实施例中，在所述托底钢梁的内部设有出渣管道，且所述出渣管道的两端分别与所述刀盘和所述出渣循环系统连接。

在一个优选的实施例中，所述基座还包括吸力锚系统和螺旋锚系统，所述吸力锚系统和螺旋锚系统用于固定安装所述基座并承担所述主机推进的反力。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于打捞沉船的托底钢梁穿引方法，所述方法使用如上所述的托底钢梁穿引设备，并包括以下步骤：

步骤一：对沉船区域的水底进行地质和定位测量，并安放水下测量信标和通信系统以确定沉船的姿态和托底钢梁穿引位置及角度，且在水下开挖始发基坑和接收基坑；

步骤二：在所述工作船上组装所述掘进机，并将其通过所述吊机下放到所述始发基坑中，调整所述掘进机的始发姿态，且将基座锚固在水底，建立稳定的反力支撑；

步骤三：启动所述掘进机进行开挖掘进，同步进行托底钢梁穿引，直至所述掘进机贯通进入所述接收基坑；

步骤四：分别分离所述托底钢梁与所述主机和基座，并将所述主机和基座吊离水底重新放置到所述工作船上；

步骤五：重新安装托底钢梁并重复步骤二到步骤四，以进行下一穿引流程直至完成所有托底钢梁的穿引。

附图说明

下面将参照附图对本发明进行说明。

图1显示了根据本发明的用于打捞沉船的托底钢梁穿引设备的整体示意图。

图2显示了图1所示托底钢梁穿引设备中的掘进机在水下作业的示意图。

图3显示了图1所示托底钢梁穿引设备中的掘进机的结构。

图4显示了图2所示掘进机中的主机的结构。

图5显示了图2所示掘进机中的基座的结构。

图6显示了图1所示托底钢梁穿引设备中的掘进机在水下作业的另一实施例的示意图。

在本申请中，所有附图均为示意性的附图，仅用于说明本发明的原理，并且未按实际比例绘制。

具体实施方式

下面通过附图来对本发明进行介绍。

需要说明的是，在本申请中，为了方便描述，将托底钢梁穿引设备中的主机挖掘推进的方向定义为前端或相似用语，而将与主机挖掘推进的方向相反的方向定义为后端或相似用语。且并不用于限定所涉及零部件的绝对位置，而是可以根据具体情况而变化。

图1显示了根据本发明的用于打捞沉船的托底钢梁穿引设备100的整体示意图。如图1所示，托底钢梁穿引设备100包括处于水面5上的工作船4，在工作船4上设有吊机401。托底钢梁穿引设备100还包括掘进机3，掘进机3与吊机401通过缆绳402、403连接。掘进机3在工作船4上安装完毕后，通过吊机401将掘进机3下放到水底进行托底钢梁穿引作业。

图2显示了托底钢梁穿引设备100处于水下作业状态下的结构示意图。在工作船4上通过吊机401将掘进机3下放到水底且放置到沉船1的附近，以通过掘进机3开挖托底钢梁穿引洞室，同时进行托底钢梁穿引。其中，轴线6为托底钢梁穿引轴线。

图3显示了掘进机3的结构。如图3所示，掘进机3包括主机301，主机301用于掘进开挖渣土以开挖托底钢梁穿引洞室，并且实时纠正掘进机3的掘进方向。主机301的后端连接托底钢梁302，托底钢梁302作为掘进机3的推力承载结构。掘进机3还包括基座303，施工过程中，基座303固定在水底。托底钢梁302穿过基座303，基座303设有推进系统，并通过推进系统推进托底钢梁302。基座303提供掘进机3前进的推力，同时承担推进的反力。此外，在托底钢梁302的后端连接有出渣循环系统304。在一个实施例中，托底钢梁302与出渣循环系统304通过尾部对接法兰306形成连接。在出渣循环系统304的内部配置有水泵，以抽取海水并泵送至主机301的区域。

在本实施了中，在托底钢梁302的内部设有出渣管道和电缆管线。出渣管道和电缆管线与主机301相互连通，出渣管道实时将开挖的渣土运输到出渣循环系统304中并排出，电缆管线实时传递控制信号和动力信号。

下面详细介绍掘进机3的具体结构。

图4显示了掘进机3中的主机301的结构。如图4所示，主机301构造成分段连接的筒状结构，其包括筒状的前体30102。前体30102包括筒状的壳体30105。在壳体30105的前端固定连接有刀盘30101，刀盘30101构造成盘形结构。刀盘30101上可安装不同型号的刀具，用于开挖渣土或破碎硬质地层。通过刀具使得掘进机3能够破碎开挖致密或坚硬地质，有效扩大了地质适应范围，提高了托底钢梁穿引设备100的适用性。

如图4所示，在壳体30105的内部间隔开设置有第一隔板30121和第二隔板30119，且第一隔板30121处于第二隔板30119的前端，从而在第一隔板30121、第二隔板30119与壳体30105之间形成了封闭空间30106。在封闭空间30106内充满承压液体介质，且封闭空间30106内的液体介质具有一定的压力。在封闭空间30106内设有刀盘驱动系统30103，刀盘驱动系统30103的输出轴通过第一隔板30121与刀盘30101连接，用于为刀盘30101提供开挖或破碎的动力。同时，在封闭空间30106内设有进水管路30104和出水管路30120，进水管路30104和出水管路30120的两端分别连接在第一隔板30121和第二隔板30119上。

在本实施例中，在封闭空间30106内的处于壳体30105的内壁上设有姿态监控与导向系统30122。例如，惯性导航和位置信号发射装置。优选地，姿态监控与导向系统30122设置在壳体30105的靠近刀盘30101的一端。姿态监控与导向系统30122用于实时监测掘进机3的工作姿态，并实时为主机301进行导向。此外，在封闭空间30106内还设有微型液压系统30107，微型液压系统30107处于第二隔板30199的前端。微型液压系统30107的功能将在下文进行介绍。

如图4所示，主机301还包括铰接体30110。铰接体30110设置在壳体30105的后端，用于连接主机301和托底钢梁302。铰接体30110的一端与壳体30105通过铰接系统30108形成铰接，且铰接体30110与壳体30105的连接处形成密封，例如，在铰接体30110与壳体30105的连接处设有铰接密封30109。铰接系统30108包括若干沿周向均匀分布且轴向布置的第一油缸和控制管线，第一油缸均设置在铰接体30110与壳体30105的连接处的径向内侧。调节不同的第一油缸的伸出量能够控制主机301与铰接体30110的相对偏转角度。此外，托底钢梁302的前端设有端面法兰30116，铰接体30110的另一端通过对接法兰30123与托底钢梁302的端面法兰30116连接。在对接法兰30123的内部设有对接机构30111，对接机构30111包括若干周向均匀分布且轴向布置的第二油缸以及控制系统。伸出第二油缸能够推动托底钢梁端面法兰30116，以将托底钢梁302脱离对接法兰30123的对接面，从而实现托底钢梁302的拆卸。

在本实施例中，在铰接体30110的内部还设有压力补偿系统30114。压力补偿系统30114的管路与封闭空间30106连通，用于维持封闭空间30106内的压力稳定，保障封闭空间30106内的压力与外部的海水压力基本平衡而不至于压差过大，从而保护内部系统和结构安全。此外，微型液压系统30107为铰接体30110内部的铰接系统30108、对接机构30111和其他的主机301内需要液压动力的工作部件提供动力。

此外，铰接体30110和托底钢梁302内部的进、出水管道和电缆30117分别在对接面30112处设有出渣管路接口30115和电缆对接口30113，用于与托底钢梁302进行连接。在一个实施例中，出渣管路接口30115和电缆对接口30113均设置密封圈隔离。另外，在进水管道30104和出水管道30120的处于铰接体30110内的部分设有管路软连接30118，以适应铰接体30110的偏转动作。

图5显示了掘进机3中的基座303的结构。基座303用于提供掘进机3前进的动力并承受推进反向作用力。如图5所示，基座303包括底座30306。在底座30306上设有推进系统30303，推进系统30303包括油缸和控制系统。推进系统30303用于提供掘进机3的前进动力。底座30306上还设有夹紧装置30304，夹紧装置30304用于在推进期间夹紧托底钢梁302，从而传递推进系统30303的提供的推进力。基座303还包括动力系统30305，动力系统30305用于将动力电缆从海面获取的电力传输给推进系统30303及各个电动单元，从而提供整机运动所需的动力。基座303还包括用于固定基座30303的螺旋锚系统30301和吸力锚系统30302。螺旋锚系统30301和吸力锚系统30302分别适用于不同的地质，在复杂地质下通过合适的组合和锚固参数，从而将基座30303稳定的固定在水底并承受推进反力。此外，基座30303上还设有线缆卷筒30307，线缆卷筒30307用于存储各种软性管道、管线，从而能够在掘进期间实时延伸管线。

根据本发明，托底钢梁302根据沉船载荷设计。在一个实施例中，托底钢梁302的断面结构构造成矩形。同时，在托底钢梁302的内部设置有贯通整个托底钢梁302前后端的出渣管道和电缆管线。出渣循环系统304通过尾部对接法兰306与托底钢梁302连接，在掘进期间，出渣循环系统304将海水泵入管道输送至主机301区域，同时将开挖渣料从出水口排出。

根据本发明，托底钢梁穿引设备100还包括用于控制掘进机3运行的控制系统，控制系统设置在处于水面上的工作船4中。控制系统通过电缆与掘进机连接，通过控制系统能够远程操控水下掘进机3的工作，控制系统不仅能够有效保证控制掘进机3的施工进度，而且有效减少了人工工作量，提高了水下掘进施工的工作效率。

下面简述使用根据本发明的用于打捞沉船的托底钢梁穿引设备100的托底钢梁穿引方法。

首先，做准备工作，对沉船区域海底2进行地形地质测量和定位测量，同时安置水下测量信标和通信系统，以确定沉船姿态、托底钢梁的穿引位置和始发方位角度等。之后，在沉船区域的水底2开挖始发基坑201和接收基坑202。在一个实施例中，采用大深度水底抓斗或水底开沟设备开挖托底钢梁穿引始发基坑201和接收基坑202。之后，在水面工作船4上组装掘进机3，并通过吊机401将组装好的掘进机3起吊、下放入水。之后，将掘进机3锚固在水底的始发基坑201处，并建立稳定的反力支撑，同时调整好掘进机3的始发姿态。之后，启动主机301进行掘进和托底钢梁穿引，此时，主机301在尾部基座303的推动下开挖岩土，并同步带动托底钢梁穿引，其中掘进线路的穿引轴线与水平线平行。在掘进过程中，通过实时监控掘进机3的位置和姿态，能够及时调节掘进机3的掘进方向，从而保证线路方向的精度。直至掘进机3贯通后，进入接收基坑202，掘进机3的主机303与托底钢梁302分离，位于始发基坑201内的推进系统与托底钢梁302分离。之后，将掘进机3的主机301和基座303吊离水底并重新放置到水面工作母船4上，重新安装托底钢梁302并重复上述各步骤，以进行下一穿引流程直至完成所有托底钢梁302的穿引。

在掘进过程中，掘进机3的主机301内的姿态监控与导向系统30122对掘进机3的位置和方向进行实时监控、调节。并且掘进机3的姿态，例如水平角度、俯仰角度等信号均通过电缆实时传输到水面控制中心。此外，结合基座303上的推进系统30303的油缸行程和换步数据，能够计算出掘进机3的前进距离，综合掘进机3的前进距离与掘进机3的姿态、位置信息，能够实时、精确掌握掘进机3的掘进线路。掘进机3的主机301与托底钢梁302的分离、以及掘进机3的基座303与托底钢梁302的分离均通过水面5上的工作船4远程操控。

图6显示了托底钢梁穿引设备100中的掘进机3在水下作业的另一实施例的示意图。如图6所示，掘进机3固定在水底，主机301从始发基坑20101处开挖进行托底钢梁穿引，且托底钢梁穿引轴线7呈弧线形，直至掘进机3的主机301贯穿进入接收基坑20102，从而完成托底钢梁穿引。掘进机3与始发基坑20101的地面成一定角度进行施工，同样能够实现托底钢梁穿引。在本实施例中，显著减少了始发基坑20101的挖掘施工量，能够有效提高托底钢梁穿引效率。

根据本发明的用于打捞沉船的托底钢梁穿引设备100具有以下优点。该托底钢梁穿引设备100中的掘进机3的推进和托底钢梁穿引同步实施、一次成型。托底钢梁穿引水下作业部分的开孔、推进、导向等均采用机械化远程操作，从而使潜水作业量、水下工作强度大幅度减少，极大地提高了施工效率、提高了施工的安全性能，降低了施工成本。此外，通过掘进机3开挖托底钢梁穿引洞室，其开挖洞径大，且开挖推进的方向实时可控。同时，掘进机3还能够通过主机301上设置的刀具破碎开挖致密或坚硬地质，提高了托底钢梁穿引效率，扩大了地质适应范围，有效提高了托底钢梁穿引设备的适用性。

最后应说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施方案而已，并不构成对本发明的任何限制。尽管参照前述实施方案对本发明进行了详细的说明，但是对于本领域的技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。